化学泥浆及绳索取芯技术在深孔钻探中的应用

梁秋生

(明达海洋工程有限公司 北京 100077)

孔深范围在1000m至3000m的岩心钻探在工程上被称为深孔施工，由于在深孔钻探施工中经常会发生孔壁坍塌、掉块、裂隙、漏水、缩径和超径等现象，因此对施工技术有着较高的要求，既要保证设备能力、还要符合钻进施工的需求。深部地层对钻探机具及装备以及转进工艺等方面提出了更高的要求[1]，合理的施工技术以及应对施工事故的措施对于钻探施工至关重要[2-5]。

1 地层结构

开阳磷矿地处贵州中部开阳县西侧约12km，北起温泉镇，南至用沙坝，南北长约20km，以产量大、品位高(P2O5 33.32%)而闻名全国，是全国特大型的富磷矿床。主要集中在洋水背斜东、西两翼深部延伸区，大部分为深孔和超深孔钻探，遇到的地层也很复杂，施工难度成倍增加[7]。针对此类问题，在钻探施工实践中，应分步骤有计划的实施。

2 钻探工艺选择

根据开阳磷矿地质特点以及地层孔段情况，钻孔的设计可以采用三级钻孔结构并预留一级。以Φ150mm开孔，穿过覆盖层4m下入Φ146mm套管，然后采用Φ95mm穿透上部破碎地层，下入75mm套管，之后以Φ55mm绳索取心钻进，当遇到复杂地层普通方法无法处理，可扩备用孔径100mm，下入75mm套管，最后换回55mm钻具裸眼钻进至1340m。因此配套主要钻具：Φ95、Φ75及Φ55绳索钻具。

由于转盘钻机其导向和定向性能相对较差，转盘扭矩大，影响了转速的提高，不适合钻探深孔，因此选择连云港天明机械厂XY2000型立轴钻机。

钻探工艺：化学泥浆护壁—变径跟管—金刚石钻进—绳索取芯。

3 钻探施工过程遇到的难点及其解决方法

在钻探施工过程中主要遇到了钻孔漏水、缩颈、塌孔、钻具孔内磨损、变径跟管的有效回收、泥浆配比试验及如何有效进行钻进过程控制等几个难点[7-8]，主要发生在第一层和第五层，针对以上问题，技术组找到了一套可行的方法，在本次钻探施工实践中得到较好应用。

3.1 漏浆

节理发育，透水性强，钻探施工过程中严重漏浆。采用一般的堵漏护壁材料效果很差，且成本较高，可靠性差。

采取的措施：顶水钻进，加入少量聚丙烯酰胺润滑钻具，携带岩粉直接由岩石节理裂隙排走。这种方法成本低，钻机效率也高，但是有一个很大的隐患：给水水泵损坏或压力不足，容易烧钻。解决此方法：在钻机给水管进口处增加一个水流实时观测流量器，对进入孔内的水量进行检测，确保钻具安全。

3.2 塌孔

页岩夹粉砂岩层岩性以灰绿色页岩为主夹细砂岩薄层。岩性完整，脆性大，岩体受地应力影响，岩体内聚存较大应力，当岩体出现自由面后，因应力释放，自由面会产生崩塌。典型特征是：取出岩芯后存放20～30天，岩芯成为饼状岩芯。

黑色炭质页岩，泥质结构，层状构造，微层理发育，进水后易膨胀塌孔。

处理方法：针对地层特征及塌孔、缩颈机理，研究配制了专用的化学泥浆，护壁效果良好，保证了钻孔施工的顺利实施。化学泥浆的配制及使用方法见后面章节叙述。

3.3 磨损

随着钻孔的深入，钻杆整体柔性增加，钻杆接头处如有微小变形，钻杆在高速旋转中极易磨损护壁套管，造成钻杆和套管的双重磨损，形成的隐患是：钻杆断裂及套管磨断或变薄，在回收套管时极易丢管。

解决方法：先将高效润滑剂作乳化处理，在钻进施工过程中于孔口顺钻杆外壁慢速加入。

3.4 变径跟管回收困难

钻孔经过3次变径，跟管3层套管，直接采用绳索钻杆作为跟管套管。在套管(绳索钻杆)回收过程中，有时回收困难，经过分析，造成套管回收困难的因素主要有：①套管外壁对孔壁的摩擦力，②孔口掉石块造成的卡管，③钻孔岩粉的回流沉淀等。

解决问题①的方法：成孔金刚石钻头外径加大1～2mm，扩大成孔直径，加大套管与孔壁间隙。套管外侧全面积涂抹黄油，且黄油表层撒满聚丙烯酰胺，保持套管与孔壁的润滑接触。

解决问题②③的方法：进口套管反压橡胶密封胶皮，保证孔返出泥浆全部流入泥浆池，不回流至孔内。

3.5 钻孔偏斜

由于钻孔较深，预防钻孔发生偏斜也是一项重要的技术工作，主要结合现场实际情况，采取以下措施[9]：

①钻机安装要水平、牢固，地基要平整、坚实，方位角及倾角要在现场业主地质人员确认的情况下符合设计要求，开孔钻进时，要经常检查天车中轴线与孔口中心线是否一致。

②开孔孔段钻进，机上钻杆不宜过长，应尽量减少钻具的摆动对钻孔孔口的影响。

③随钻进深度的增加，应加大岩芯管(内管)的长度，一般可以增加到6～12m。

④钻进过程遇破碎层、松散层时，杜绝使用过大钻压和转速，对钻进速度要控制在一定范围内，必要时要减压钻进，防止钻具走偏。

⑤注意钻进过程中换层，无论地层由软变硬还是由硬变软，无论是由完整变破碎还是由破碎变完整，均按要求减压、减速钻进，一旦换层，要把钻头适当提起一定高度，反复钻扫，通过上部孔径的导正，使钻头在新的岩层界面时，保持钻孔不因地层变化发生偏斜。

⑥现场加强技术管理工作，对遇到的问题要及时进行分析研究，对钻进过程中每隔一定距离进行测斜，以便及时掌握钻孔孔斜变化情况，及时应对处理。

3.6 井内事故

①加强责任心，努力钻研并掌握钻探技术，树立精益求精的工作态度，避免事故的发生。

②经常进行钻探技术知识的学习，总结经验，吸取教训，防止同类事故重复发生。

③要实行岗位责任制，各行其事，加强对机械和钻具检查，保证钻机、水泵、柴油机等工作正常，发现问题及时处理，对下井钻具、提引器具要严格检查，不合格者，绝不将就使用。

④对地层状况要了解清楚，什么层位采用何种工艺参数，用哪种类型和配方的泥浆，要做到心中有数，提前做好准备，防止盲目操作。

⑤随时观察钻机、水泵、柴油机的各种仪表指针的变化情况，从而判断井内情况，正确调整钻压、泵量、转数等工艺参数，防止烧钻、糊钻等井内事故发生。

⑥降管时，钻杆提引器要拧紧，降下速度要适当控制，遇到换径处，井内掉块、探头石、溶洞、脱落岩芯和有缩径现象的孔段，降下速度要慢，井口夹持器等工作要灵活可靠，防止跑管事故发生。

⑦降离井底0.5m左右要开始泵送泥浆，待泥浆到达井底，井口返水再开车，缓慢扫下，如井内为干孔或局部返水，要根据经验判断泥浆到达井底才能开车。

⑧发现井内阻力突然加大，升上突然遇阻要妥善处理，不得强行开车或猛提钻具，防止将钻具“拧死”。

⑨处理事故并做好记录，做到心中有数，要将事故井深、事故头位置、事故头形态、每次的处理方法、所用钻具名称、规格、处理效果等要详细记录清楚，不得以“处理井故”几个字而代之。

⑩发生井故后，要及时报告机长和项目经理，共同研究分步处理方案，个人不得随意改变方案，如情况变化，则需重新研究方案，防止方法不当造成事故加事故。

4 小结

① 开阳磷矿地区的深孔钻探采用“化学泥浆护壁—变径跟管—金刚石钻进—绳索取芯”的钻探施工工艺，能极大提高钻进效率和钻孔质量，该孔施工情况表明，深孔台月效率为776m，并达到了优质孔的目标，取得了良好的经济效益。

② 直接采用金刚石绳索钻孔作为变径跟管套管，可保证护壁套管的刚度和垂直度，在安装过程中做好外表润滑处理及防埋防卡措施后，回收方便且回收率高，降低施工成本。

③ 采用特别配制的化学泥浆护壁，可以有效预防页岩应力释放产生的缩颈及黑色炭质页岩遇水崩解产生的塌孔。

④ 泥浆护壁技术、孔斜控制技术及预防井内事故技术等多手段配合钻进，加上钻机机长、机手施工操作的责任心，能够快捷、高质量完成钻孔作业。